shellLab实验报告

一、预备知识

阅读课本CSAPP的第八章后完成本次实验，要求熟练掌握以下内容：

1. 进程的概念、状态以及控制进程的几个函数（fork,waitpid,execve）。
2. 信号的概念，会编写正确安全的信号处理程序。
3. shell的概念，理解shell程序是如何利用进程管理和信号去执行一个命令行语句。

二、实验要求

本次实验要求完成框架中一些必要函数从而实现一个简单shell程序。

tsh.c中给出了本次实验中需要实现的shell的框架，大部分函数已经写好了，需要完成的函数已经写在了shlab.pdf中。完成空缺的函数，使shell支持的功能也已写在了shlab.pdf中。

三、实验思路

shell进程解析一条命令行语句后会创建数个子进程（这些进程被称为作业）加载不同的程序去完成该命令行语句，由于shell是所有作业的父进程，因此需要管理所有的子进程，进程间的通信需要靠信号。具体来说，为了执行一条命令行语句，shell进程要完成以下工作：

1. 解析一条命令行，判断是内置命令还是可执行文件路径，如果是后者就需要创建多个子进程。

2. 维护作业列表

3. 接收信号（当子进程终止、停止、继续执行时都会给shell进程发送信号，用户还可以通过键盘向shell进程发送信号，别的进程可以通过kill发送信号），并做出正确响应。

   正确响应意味着安全正确的信号处理程序，书上对这部分有详细的叙述。在本次实验中存在共享全局变量jobs，编写信号处理程序应注意。

四、实验中遇到的问题

整个实验最令人困惑的地方应当是sigchld_handler的编写方式，因为当子进程终止、停止、继续执行时都会给shell进程发送SIGCHLD，在该函数中必须对这三种情况加以区分。

最初的版本只考虑了子进程终止的情况，导致shell表现出奇怪的状态，后来使用WIFSTOPPED判断进程是否被停止。导致键入ctrl+Z时子进程被挂起，而，但子进程已经被挂起而不可能会终止/停止，shell进程将被永远挂起。

第二个版本只考虑子进程终止、停止的情况，没有考虑子进程继续执行的情况，因为shell进程调用了waitpid(-1,&status,0)而陷入等待子进程终止/停止的挂起状态，导致shell进程必须等待继续执行的进程终止或被停止，修改后调用waitpid(-1,&status,WNOHANG|WUNTRACED)，让shell进程不等待直接返回，根据返回值来判断子进程是终止、停止、继续执行中的哪种情况。

五、实验代码

和原来的代码相比,除了填充了空缺函数外还引入了一些自己写的、CSAPP上的包装函数

/*
 * tsh - A tiny shell program with job control
 *
 * <Put your name and login ID here>
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>

/* Misc manifest constants */
#define MAXLINE    1024   /* max line size */
#define MAXARGS     128   /* max args on a command line */
#define MAXJOBS      16   /* max jobs at any point in time */
#define MAXJID    1<<16   /* max job ID */

/* Job states */
#define UNDEF 0 /* undefined */
#define FG 1    /* running in foreground */
#define BG 2    /* running in background */
#define ST 3    /* stopped */

/* bool type */
typedef char bool;
#define true 0
#define false 1

/*
 * Jobs states: FG (foreground), BG (background), ST (stopped)
 * Job state transitions and enabling actions:
 *     FG -> ST  : ctrl-z
 *     ST -> FG  : fg command
 *     ST -> BG  : bg command
 *     BG -> FG  : fg command
 * At most 1 job can be in the FG state.
 */

/* Global variables */
extern char **environ;      /* defined in libc */
char prompt[] = "tsh> ";    /* command line prompt (DO NOT CHANGE) */
int verbose = 0;            /* if true, print additional output */
int nextjid = 1;            /* next job ID to allocate */
char sbuf[MAXLINE];         /* for composing sprintf messages */

struct job_t {              /* The job struct */
    pid_t pid;              /* job PID */
    int jid;                /* job ID [1, 2, ...] */
    int state;              /* UNDEF, BG, FG, or ST */
    char cmdline[MAXLINE];  /* command line */
};
struct job_t jobs[MAXJOBS]; /* The job list */
/* End global variables */

/* Function prototypes */

/* Here are the functions that you will implement */
void eval(char *cmdline);
int builtin_cmd(char **argv);
void do_bgfg(char **argv);
void waitfg(pid_t pid);

void sigchld_handler(int sig);
void sigtstp_handler(int sig);
void sigint_handler(int sig);

/* Here are helper routines that we've provided for you */
int parseline(const char *cmdline, char **argv);
void sigquit_handler(int sig);

void clearjob(struct job_t *job);
void initjobs(struct job_t *jobs);
int maxjid(struct job_t *jobs);
int addjob(struct job_t *jobs, pid_t pid, int state, char *cmdline);
int deletejob(struct job_t *jobs, pid_t pid);
pid_t fgpid(struct job_t *jobs);
struct job_t *getjobpid(struct job_t *jobs, pid_t pid);
struct job_t *getjobjid(struct job_t *jobs, int jid);
int pid2jid(pid_t pid);
void listjobs(struct job_t *jobs);

void usage(void);
void unix_error(char *msg);
void app_error(char *msg);
typedef void handler_t(int);
handler_t *Signal(int signum, handler_t *handler);

/* Wrapped function */
static size_t sio_strlen(char s[])
{
    int i = 0;

    while (s[i] != '\0')
        ++i;
    return i;
}

ssize_t sio_puts(char s[]) /* Put string */
{
    return write(STDOUT_FILENO, s, sio_strlen(s)); //line:csapp:siostrlen
}

void Sio_error(char s[]) /* Put error message and exit */
{
    sio_puts(s);
    _exit(1);                                      //line:csapp:sioexit
}

pid_t Fork(void)
{
    pid_t pid;

    if ((pid = fork()) < 0)
	unix_error("Fork error");
    return pid;
}

void Sigfillset(sigset_t *set)
{
    if (sigfillset(set) < 0)
    unix_error("Sigfillset error");
    return;
}

void Sigemptyset(sigset_t *set)
{
    if (sigemptyset(set) < 0)
	unix_error("Sigemptyset error");
    return;
}

void Sigaddset(sigset_t *set, int signum)
{
    if (sigaddset(set, signum) < 0)
	unix_error("Sigaddset error");
    return;
}

void Sigdelset(sigset_t *set, int signum)
{
    if (sigdelset(set, signum) < 0)
	unix_error("Sigdelset error");
    return;
}

void Sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset)
{
    if (sigprocmask(how, set, oldset) < 0)
	unix_error("Sigprocmask error");
    return;
}

/*
 * eval - Evaluate the command line that the user has just typed in
 *
 * If the user has requested a built-in command (quit, jobs, bg or fg)
 * then execute it immediately. Otherwise, fork a child process and
 * run the job in the context of the child. If the job is running in
 * the foreground, wait for it to terminate and then return.  Note:
 * each child process must have a unique process group ID so that our
 * background children don't receive SIGINT (SIGTSTP) from the kernel
 * when we type ctrl-c (ctrl-z) at the keyboard.
*/
void eval(char *cmdline)
{
    char *argv[MAXARGS];
    char buf[MAXLINE];
    int bg;
    pid_t pid;
    sigset_t mask_all, prev_all, mask_chld;

    Sigfillset(&mask_all);
    Sigemptyset(&mask_chld);
    Sigaddset(&mask_chld, SIGCHLD);

    strcpy(buf, cmdline);
    bg = parseline(buf, argv);
    if (argv[0] == NULL)
        return; // Ignore empty line

    if (!builtin_cmd(argv))
    {
        Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_chld, &prev_all); // Block SIGCHLD
        if ((pid = Fork()) == 0) { // Child process
            // Change the pgid and restore sigset
            Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);
            setpgid(0, 0);
            if (execve(argv[0], argv, environ) < 0) {
                printf("%s: Command not found\n", argv[0]);
                exit(0);
            }
        }
        Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, NULL); // Block all signals
        if (!bg)
            addjob(jobs, pid, FG, cmdline);
        else
            addjob(jobs, pid, BG, cmdline);
        Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL); // Restore blocked signals

        if (!bg)
            waitfg(pid);
        else
            printf("[%d] (%d) %s", pid2jid(pid), pid, cmdline);
    }

    return;
}

/*
 * 判断一个字符是否为数字或'%'
 */
bool isId(char c)
{
    if ((c >= '0' && c <= '9') || c == '%')
        return true;
    else
        return false;
}
/*
 * builtin_cmd - If the user has typed a built-in command then execute
 *    it immediately.
 */
int builtin_cmd(char **argv)
{
    if (!strcmp(argv[0], "quit"))
        exit(0);
    if (!strcmp(argv[0], "jobs"))
    {
        listjobs(jobs);
        return 1;
    }
    if (!strcmp(argv[0], "bg") || !strcmp(argv[0], "fg")) { // 如果是fg命令需要等待前台作业
        if (argv[1] == NULL) // 参数不能为空
            printf("%s command requires PID or %%jobid argument\n", argv[0]);
        else if (isId(argv[1][0]) == false) // 判断参数是否为PID或%JID的形式
            printf("argument must be a PID or %%jobid\n");
        else // 调用函数,由该函数处理进程或者作业是否存在
            do_bgfg(argv);
        return 1;
    }

    return 0;     /* not a builtin command */
}

/*
 * do_bgfg - Execute the builtin bg and fg commands
 * 没有对输入做合法性检查
 */
void do_bgfg(char **argv)
{
    int jid;
    sigset_t mask_all, prev_all;
    struct job_t *job;

    Sigfillset(&mask_all);
    if (argv[1][0] == '%') // 得到对应作业的jid
        jid = atoi(argv[1]+1);
    else
        jid = pid2jid(atoi(argv[1]));

    Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_all); //上锁,防止其它中断处理程序对jobs的操作
    job = getjobjid(jobs, jid);
    if (job == NULL) { // 作业不存在,输出报错信息
        if (argv[1][0] == '%')
            printf("%s: No such job\n", argv[1]);
        else
            printf("(%s): No such process\n", argv[1]);
        Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);
        return;
    }

    if (kill(-job->pid, SIGCONT) < 0) // 发送继续执行信号
        Sio_error("sigint error\n");

    if (!strcmp(argv[0], "bg")) { // 把进程从停止状态变为后台运行状态
        job->state = BG;
        printf("[%d] (%d) %s", jid, job->pid, job->cmdline);
    }
    else { // 把进程从停止状态变为前台运行状态
        job->state = FG;
    }
    Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);

    waitfg(fgpid(jobs));

    return;
}

/*
 * waitfg - Block until process pid is no longer the foreground process
 */
void waitfg(pid_t pid)
{
    while (fgpid(jobs)) // Loop while existing foreground job
    {
        sleep(1);
    }

    return;
}

/*****************
 * Signal handlers
 *****************/

/*
 * sigchld_handler - The kernel sends a SIGCHLD to the shell whenever
 *     a child job terminates (becomes a zombie), or stops because it
 *     received a SIGSTOP or SIGTSTP signal. The handler reaps all
 *     available zombie children, but doesn't wait for any other
 *     currently running children to terminate.
 * 这个函数并不只是用于处理终止进程，由于进程停止、继续执行时也会发送SIGCHLD，必须识别出停止和终止两种情况
 * 1. 进程停止
 *      直接从jobs中删除子进程对应作业
 *      如果被信号终止，打印终止信号
 * 2. 进程停止
 *      修改进程的状态
 *      打印停止信号
 * 3. 进程继续执行
 *      直接返回
 */
void sigchld_handler(int sig)
{
    int olderrno = errno;
    sigset_t mask_all, prev_all;
    pid_t pid;
    int status, jid;

    Sigfillset(&mask_all);
    if ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG|WUNTRACED)) < 0) { // 等待进程终止或者停止,如果返回-1说明waitpid出错,如果返回0说明没有进程处于停止或终止只是有子进程继续执行
        Sio_error("waitpid error");
    }
    else if (pid == 0)
        return;
    jid = pid2jid(pid); // 得到jobid

    Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_all); //上锁,防止其它中断处理程序对jobs的操作
    if (WIFEXITED(status)) // 正常终止
        deletejob(jobs, pid);
    if (WIFSIGNALED(status)) { // 被信号终止
        deletejob(jobs, pid);
        printf("Job [%d] (%d) terminated by signal %d\n", jid, pid, WTERMSIG(status));
    }
    if (WIFSTOPPED(status)) {// 被信号停止
        struct job_t *job = getjobpid(jobs, pid);
        job->state = ST;
        printf("Job [%d] (%d) stopped by signal %d\n", job->jid, pid, WSTOPSIG(status));
    }
    Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);
    errno = olderrno;

    return;
}

/*
 * sigint_handler - The kernel sends a SIGINT to the shell whenver the
 *    user types ctrl-c at the keyboard.  Catch it and send it along
 *    to the foreground job.
 */
void sigint_handler(int sig)
{
    int olderrno = errno;
    sigset_t mask_all, prev_all;
    Sigfillset(&mask_all);

    Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_all); // 上锁,防止其它中断处理程序对jobs的操作
    if (fgpid(jobs))
        if (kill(-fgpid(jobs), SIGINT))
            Sio_error("sigint error\n");
    Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);

    errno = olderrno;

    return;
}

/*
 * sigtstp_handler - The kernel sends a SIGTSTP to the shell whenever
 *     the user types ctrl-z at the keyboard. Catch it and suspend the
 *     foreground job by sending it a SIGTSTP.
 */
void sigtstp_handler(int sig)
{
    int olderrno = errno;

    sigset_t mask_all, prev_all;
    pid_t pid;
    Sigfillset(&mask_all);

    Sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask_all, &prev_all); // 上锁,防止其它中断处理程序对jobs的操作
    if ((pid = fgpid(jobs)) != 0)
        if (kill(-pid, SIGTSTP) < 0)
            printf("kill error\n");
    Sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_all, NULL);
    errno = olderrno;

    return;
}